Search for supersymmetric particle pair production in final states with two oppositely charged leptons and large missing transverse momentum in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

技术摘要：寻找具有两个带异号轻子和大缺失横向动量的末态中的超对称粒子对产生

问题与动机
标准模型（SM）虽然取得了成功，但缺乏一个可行的暗物质候选者，并且未能解决希格斯玻色子质量与普朗克尺度之间的层级问题。超对称（SUSY）通过引入标准模型场的超对称伙伴来解决这些局限性。在 R-宇称守恒的模型中，最轻中性微子（$\tilde{\chi}^0_1$）是稳定的，并可作为暗物质候选者。本文展示了对质子-质子碰撞中直接产生超对称粒子——特别是电中性微子（charginos, $\tilde{\chi}^\pm_1$）、顶夸克超对称粒子（top squarks, $\tilde{t}_1$）和轻子超对称粒子（sleptons, $\tilde{\ell}$）——的搜索，质心能量为 $\sqrt{s} = 13$ TeV。该分析针对的末态特征为两个带异号轻子（电子或缪子）以及大的缺失横向动量（p^{\text{miss}}__T），这些特征源于这些粒子衰变为稳定的中性微子。

方法论
该分析利用了 CMS 探测器在 2016 年至 2018 年间收集的 138 fb$^{-1}$ 数据。事件选择要求两个隔离的带异号轻子，其 $p_T$ 分别大于 25（前导）和 20（跟随）GeV，且 $p^{\text{miss}}_T > 160$ GeV。为了抑制标准模型背景，排除了含有第三个轻子或轻子对不变质量（$m_{\ell\ell}$）接近 Z 玻色子质量的事件。

搜索策略采用对 $m_{T2}$ 分布（一种针对两个不可见粒子广义化的横向质量变量）进行的同时极大似然（ML）拟合，涵盖多个搜索区域（SRs）和控制区域（CRs）。SRs 根据以下标准进行分类：

1. 轻子味（Lepton Flavor）： 同味（SF）和异味（DF）通道。
2. $p^{\text{miss}}_T$ 分箱： 四个分箱，范围从 160 GeV 到 $>380$ GeV。
3. 喷注多重度（Jet Multiplicity）： 特别针对顶夸克超对称粒子搜索而设计，以区分压缩质量谱（低喷注活动）和具有较大质量分裂的情景。
   • 电中性微子/轻子超对称粒子搜索： 否决 $b$ 标记喷注，以拒绝 $t\bar{t}$ 和 $tW$ 背景。
   • 顶夸克超对称粒子搜索： 定义了零个 $b$ 标记喷注的区域（对 $b$ 喷注较软的压缩谱敏感）以及至少有一个 $b$ 标记喷注的区域。针对高 $p^{\text{miss}}_T$ 应用了特定的“硬 ISR”选择，以利用相对于初始态辐射（ISR）喷注的反冲。

背景估计尽可能依赖数据驱动的方法。主导背景（$t\bar{t}, tW, WW$）的归一化由低 $m_{T2}$ 区域的 ML 拟合进行约束。次要背景（$WZ, ZZ, t\bar{t}Z$, Drell-Yan）则使用专门的 CR 进行约束。系统不确定度（包括与探测器性能、亮度及理论模型相关的部分，例如 $m_{T2}$ 尾部建模）通过干扰参数（nuisance parameters）纳入考虑。

主要贡献

• 扩展质量范围： 本分析通过优化针对特定拓扑结构的事件选择，扩展了之前的 CMS 限制，特别是针对顶夸克超对称粒子的压缩质量区域和电中性微子的高质量区域。
• 全面的信号情景： 本文对三种不同的产生机制进行了结果解释：
  1. 通过中间轻子/中微子以及通过直接衰变为 $W\tilde{\chi}^0_1$ 的电中性微子对产生。
  2. 顶夸克超对称粒子对产生，衰变为 $t\tilde{\chi}^0_1$（压缩区域 $m_W < \Delta m \lesssim m_t$）以及通过 $\tilde{t}_1 \to b\tilde{\chi}^\pm_1 \to bW\tilde{\chi}^0_1$ 衰变。
  3. 轻子超对称粒子对产生，衰变为 $\ell\tilde{\chi}^0_1$。
• 改进的背景建模： 本分析引入了针对 $t\bar{t}$ 和 $WW$ 事件中 $m_{T2}$ 尾部建模的特定修正，解决了在高 $p^{\text{miss}}_T$ 下观察到的数据误建模问题，并改进了对非瞬发轻子（non-prompt leptons）的处理。

结果
在任何搜索区域内均未观察到相对于标准模型预测的显著过剩。因此，对所考虑的模型设定了 95% 置信水平（CL）的产额截面上限。观测到的限制通常在实验不确定度范围内与预期限制一致。

• 电中性微子（Charginos）： 在电中性微子通过中间轻子超对称粒子/中微子衰变的情景下，对于无质量中性微子，排除了高达 1120 GeV 的电中性微子质量。对于约 820 GeV 的电中性微子质量，排除了高达 490 GeV 的中性微子质量。在直接衰变情景（$\tilde{\chi}^\pm_1 \to W^\pm \tilde{\chi}^0_1$）下，对于质量低于 25 GeV 的中性微子，排除了 260–380 GeV 之间的电中性微子质量。
• 顶夸克超对称粒子（Top Squarks）： 在压缩质量区域（$m_W < m_{\tilde{t}_1} - m_{\tilde{\chi}^0_1} \lesssim m_t$）中，对于 $\tilde{t}_1 \to t^*\tilde{\chi}^0_1$ 衰变，排除了高达 500–540 GeV 的顶夸克超对称粒子质量。对于衰变链 $\tilde{t}_1 \to b\tilde{\chi}^\pm_1 \to bW\tilde{\chi}^0_1$，在压缩区域排除了高达 540 GeV 的质量。
• 轻子超对称粒子（Sleptons）： 对于无质量中性微子，排除了高达 700 GeV 的轻子超对称粒子质量。对于低于 150 GeV 的轻子超对称粒子，排除了质量分裂大于 30 GeV 的情况。

意义
本文声称这些结果构成了目前对于涉及通过中间轻子超对称粒子衰变模式的电中性微子对产生最严苛的限制。该分析成功地补充了以往在低质量压缩谱和强子末态方面的搜索，有效地填补了两者之间的空白。通过将顶夸克超对称粒子在压缩区域的排除范围比之前的双轻子搜索提高约 100 GeV，这项工作显著缩小了自然超对称（natural SUSY）情景中顶夸克超对称粒子质量接近 TeV 量级的参数空间。这些结果为简化的超对称模型提供了稳健的限制，强化了在所探索的质量和衰变配置中未发现超对称证据的事实。